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活体光声成像在呼吸系统炎症无创检测的应用

 

在医学研究领域，急性呼吸道炎症的早期精准检测一直是备受关注的焦点。传统的检测方法往往存在诸多局限，难以满足临床对于快速、准确、无创诊断的迫切需求。如今，一项全新的技术——基于Nano-ICG增强巨噬细胞活体光声成像技术应运而生，为急性呼吸道炎症的无创定量评估带来了革命性的新希望。

 

 

研究背景：呼吸道感染检测的挑战

呼吸道感染是全球范围内极为严重的健康问题，堪称儿童健康的“头号大敌”。据权威统计，仅5岁以下儿童每年因呼吸道病毒感染死亡的人数就高达300万，这一数字令人痛心疾首。细菌感染在引发急性呼吸道炎症方面扮演着关键角色，其中革兰氏阴性菌的感染与急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、慢性阻塞性肺病（COPD）急性加重以及哮喘急性发作等疾病中的气道炎性损伤紧密相连。

 

在疾病的早期阶段，炎症悄然发生。巨噬细胞作为炎症反应的“先锋部队”，会迅速聚集到炎症部位。它们如同一个个“小卫士”，试图清除入侵的病原体。然而，传统的成像技术在面对这一微观战场时，却显得力不从心。

 

核磁共振成像（MRI）虽然能够提供较为清晰的人体内部结构图像，但对于早期炎症细胞的细微变化，其分辨率还远远不够。就好比用放大镜去看细菌，还是无法看清细菌表面的微小细节。X射线计算机断层成像（CT）在检测肺部的大体形态和明显病变方面有一定优势，但对于炎症初期细胞层面的变化，也难以精准捕捉。正电子发射断层成像（PET）虽然在肿瘤等疾病的诊断中发挥着重要作用，但在呼吸道炎症的早期诊断上，也存在特异性不足的问题。超声（US）成像在观察肺部的一些较大结构和血流情况时较为常用，但对于炎症细胞的分辨能力有限，就像用望远镜去看近处的蚂蚁，根本无法看清。光学相干断层成像（OCT）和荧光成像（FI）虽然在某些方面具有较高的分辨率，但它们的穿透深度太浅，无法深入到肺部组织内部去观察炎症细胞的活动。

 

基于Nano-ICG的急性呼吸道感染光声成像的示意图

 

在这样的背景下，寻找一种能够高分辨率、深穿透性地观察呼吸道炎症的成像技术，成为了医学领域亟待解决的难题。这不仅关系到对呼吸道炎症发病机理的深入理解，更是研发新型治疗方案和药物的关键所在。只有准确地了解炎症的发生发展过程，医生们才能有的放矢地制定治疗策略，避免过度使用抗生素等药物，从而提高治疗效果，保障患者的健康。

 

技术创新：神奇的Nano-ICG

Nano-ICG的神奇特性
 

研究人员首先对Nano-ICG进行了详细的表征。透射电镜下，Nano-ICG呈现出平均尺寸约65nm的圆形颗粒，并且呈现聚集状分布。这就像是一群紧密团结在一起的“小士兵”，准备在后续的实验中发挥重要作用。

 

在光学吸收性能方面，Nano-ICG在600-850nm区间的780nm处展现出了最强的光吸收特性。这一特性就如同它拥有了一个独特的“信号发射器”，能够在光声成像过程中产生强烈的信号。更为重要的是，经过严格的生物安全性测试，质量浓度为330μg/mL的Nano-ICG溶液对小鼠巨噬细胞没有毒性。这意味着它可以安全地进入细胞内部，为后续的成像研究奠定了坚实的基础。

 

Nano-ICG的表征

 

巨噬细胞与Nano-ICG的“亲密互动”
 

通过实时成像技术，研究人员如同在微观世界里安装了一个“摄像头”，清晰地观察到了巨噬细胞对Nano-ICG的吞噬过程。在Nano-ICG注入后的1小时内，巨噬细胞就像一个个“饥饿的捕食者”，迅速地将Nano-ICG吞噬到细胞内部。而且，随着时间的推移，巨噬细胞对Nano-ICG的摄取量不断增加，图像的信号强度也如同逐渐亮起的灯光，变得越来越强。这表明巨噬细胞与Nano-ICG之间存在着紧密的联系，Nano-ICG能够有效地被巨噬细胞摄取，并且在细胞内发挥作用。

 

巨噬细胞在不同时刻处吞噬Nano-ICG的共聚焦成像结果

 

气道活体成像的显著差异
 

在对Control组和Model组小鼠的气道进行成像时，研究人员发现了一系列有趣的现象。在滴注Nano-ICG溶液15分钟后，Model组的PAI信号就像被点燃的火焰，相较于Control组开始呈现出增强的趋势。而在Control组中，随着时间的推移，Nano-ICG的PAI信号却如同逐渐熄灭的蜡烛，呈现减弱的态势。30分钟后，两组的PAI图像对比度变得更加明显，就像黑白分明的图案，清晰地显示出炎症区域和正常区域的差异。到了60分钟，Model组中的PAI信号达到最强，与Control组相比，差异如同天壤之别，具有极为显著的对比效果。

 

进一步的研究表明，在Control组中，小鼠呼吸道内的Nano-ICG随着滴注后时间的增加不断地减少，就像潮水逐渐退去；而在Model组中，小鼠呼吸道内的 Nano-ICG随着时间的延长不断地增加，仿佛在炎症的“土壤”中生根发芽。这一结果充分说明，Nano-ICG在注入60分钟后能够准确地反映呼吸道壁上炎症细胞的发展程度，就像一个精准的“温度计”，为医生判断炎症的严重程度提供了重要的依据。

 

Control组和Model组的PAI结果以及分析结果

 

研究人员利用软件对二维PAI图像进行了三维重建。这一重建过程就像是将一幅平面的地图变成了一个立体的模型，能够提供更准确、更全面的呼吸道炎症信息。通过三维呼吸道炎症的PAI结果，我们可以清晰地看到炎症细胞在呼吸道中的具体位置和聚集情况，就像在一个透明的人体模型中直接观察炎症的发生部位一样。

 

小鼠呼吸道的PAI结果

 

组织学评价的有力佐证
 

为了更深入地了解炎症对呼吸道组织的影响，研究人员对气道样本进行了病理切片和染色。在Control组的切片中，呼吸道呈现出浅粉色，管壁内侧光滑平整，没有增厚的迹象，也未发现任何肿胀点和出血点，就像一条干净整洁的通道，没有任何异常。而在Model组的切片中，情况则截然不同。呼吸道出现了明显的出血和肿胀现象，表面散布着许多出血点，管壁内侧有大量的炎症细胞浸润，管腔内分泌物也明显增多，管壁及基底膜增厚不规则，仿佛是一个遭受了严重破坏的战场，到处都是炎症的“痕迹”。这一组织学评价结果与光声成像的结果相互印证，进一步证实了炎症的存在和严重程度。

 

Control组和Model组呼吸道切片染色结果的对比

 

光声成像：无创检测具有分辨率和深度优势

光声成像技术在呼吸道炎症诊断中的成功应用，让我们看到了它的巨大潜力。与传统的成像技术相比，它的优势不仅仅体现在分辨率和穿透深度上。光声成像技术还具有非侵入性的特点，这对于患者来说是一个极大的福音。在临床实践中，这意味着患者不需要承受过多的痛苦和风险，就能够进行准确的检查。

 

在肺部疾病的早期筛查方面，光声成像技术有望发挥重要作用。例如，对于长期吸烟或处于空气污染环境中的人群，定期进行光声成像检查，可以及时发现肺部的微小炎症病变，从而采取有效的预防措施，降低患严重肺部疾病的风险。在肺部肿瘤的诊断和治疗监测中，光声成像技术也可以与其他成像技术相结合，通过观察肿瘤周围的炎症反应，可以更好地了解肿瘤的生物学行为，为医生提供更全面的信息。

 

研究结论：光声成像可无创检测呼吸道炎症

PAI技术在评估炎症方面具有高度的可行性，就像一把精准的尺子，能够准确地测量炎症的程度。Model组炎症的光声成像结果、病理结果以及荧光成像结果高度匹配，如同一个紧密配合的团队，共同为呼吸道炎症的诊断提供了有力的证据。在未来的医学实践中，医生们可以利用这一技术，更加准确地诊断呼吸道炎症，及时制定个性化的治疗方案。对于患者来说，这意味着能够更快地得到有效的治疗，减少疾病带来的痛苦和并发症的发生。同时，这也为医学研究人员进一步深入研究呼吸道炎症的发病机制提供了重要的工具和方法，有望推动呼吸疾病相关领域的不断发展。

 

论文信息
 

声明：本文仅用作学术目的。

张建, 梁超豪, 罗志佳, 等. 基于Nano‑ICG增强巨噬细胞活体光声成像的急性呼吸道炎症无创定量评估[J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51(9): 0907012-0907012-9.

DOI：10.3788/CJL231378